Разходомери

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2006

Разходомери

 

 

Метрологични характеристики и приложна област

Разходът е сред най-често измерваните и контролирани процесни характеристики. На фона на огромното разнообразие от измервателни принципи за определяне разхода на течности и газове и още по-голямото многообразие от конструктивни изпълнения, функционални възможности и търговски марки, за специалистите по КИП и А е важно не само добре да познават същността на методите за измерване, но и произтичащите от тях метрологични и приложни специфики. В статията поставяме акцент върху точността, монтажните особености и приложната област на наложили се видове разходомери - ултразвукови, вихрови, магнитоиндуктивни, с тръба на Пито, кориолисови и ротаметри.

Сред широко използваните средства за измерване обемния разход на течности и газове са вихровите разходомери. Най-общо работата им се основава на физическите явления, които възникват при поставяне на преграда напречно на посоката на движение на определен флуид. Обтичайки преградата част от работния флуид, променя посоката си на движение, вследствие на което възникват водовъртежи. Съществува правопропорционална зависимост между честотата на образуването на вихри и скоростта на флуида. Следователно количеството течност, преминало през определено сечение на тръбопровода за единица време, е правопропорционално на честотата на образуване на вихри.

 

Ниска чувствителност към t и p

Основна метрологична специфика на вихровите разходомери е ниската им чувствителност по отношение на температурата, налягането и химическия състав на работния флуид. Приложната им област се определя от степента на запълване на тръбопровода. Важно условие за безпроблемна експлоатация на вихровите разходомери е уредът да не е подложен на въздействието на електромагнитни смущения и вибрации.

Диаметърът на тръбопровода в участъка, в който ще се измерва разходът на работния флуид, не е фактор от първостепенно значение за оразмеряването на измервателната тръба. В определени приложения, ако диаметрите на тръбопровода и измервателната тръба са равни, приборът не би могъл да покрие целия диапазон на изменение на дебита. В такива случаи обикновено се избира разходомер с по-малък диаметър на измервателната тръба от диаметъра на тръбопровода. Падът на налягането в зоната на образуване и разпространение на вихри е комплексен критерий за оразмеряване на вихровите разходомери. При оразмеряването на вихровите разходомери трябва да се отчете обстоятелството, че при избор на прибор с по-малък диаметър от този на тръбопровода, в системата се внася допълнителен пад на налягане.

Задължително е запълването на тръбата

Номиналните метрологични и експлоатационни характеристики на уредите могат да бъдат постигнати в реални работни условия, само ако монтажът им е съобразен с редица условия. На първо място, измервателната тръба се инсталира в участък от системата, в който транспортираното количество работен флуид осигурява максимално запълване на тръбопровода. Сред изискванията за оптимална работа на вихровите разходомери е течността или газът, с които работи системата, да са еднофазни. Изборът на място за монтаж на разходомера трябва да е съобразен с необходимостта от осигуряване на прав участък от тръбопровода, преди и след измервателната тръба. Съществуват и изисквания към дължината на правия участък, преди и след измервателната тръба. За участъка след тръбата препоръчителното разстояние е равно на около пет пъти диаметъра на тръбопровода. Точните дължини на участъците преди и след измервателната тръба се определят от производителя на конкретния вихров разходомер.

Електромагнитният принцип

се използва за определяне обемния разход на проводими течности. Същността на метода се състои в измерване големината на електродвижещото напрежение, което се индуцира в проводима течност, при преминаването й през магнитно поле. За количеството работен флуид, преминало през определеното сечение на тръбопровода, се съди по стойността на отчетеното електродвижещо напрежение. Установено е, че между скоростта на работния флуид и големината на индуцираното напрежение съществува правопропорционална зависимост. Сред основните изисквания за избор на електромагнитен разходомер е проводимостта на работната среда за конкретното приложение да е по-голяма или равна на минималната електропроводимост, при която уредът работи.

Магнитоиндуктивните разходомери

се използват основно в случаите, при които приложението на останалите основните методи за измерване на разход не е възможно. Сред типичните приложения на този тип прибори са определяне разхода на течни метали в металургията и пулп в целулозно-хартиената промишленост. Сред основните предимства на метода е ниската чувствителност на приборите към плътността и вискозитета на работната среда. Метрологичните характеристики на прибора се влияят от интензивността на външните шумове, което затруднява разработването на прибори с висок клас на точност. Функционирането на магнитоиндуктивни разходомери с постоянни магнити при йоннопроводими течности е свързано със сериозни трудности, породени от концентрирането на положителни йони около катода и отрицателни в непосредствена близост до анода. Нееднозначността в работната характеристика на преобразувателя, вследствие поляризацията на течността, води до значително влошаване на метрологичните характеристики на прибора. За приложения, при които се налага измерване разхода на течности с йонна проводимост, се използват магнитоиндуктивни разходомери с електромагнити.

Не съществуват ограничения в използването на магнитоиндуктивните разходомери по отношение диаметъра на тръбопровода и големината на разхода. За разлика от вихровите разходомери, при които съществуват строги изисквания към мястото на монтаж, електромагнитните разходомери

не изискват наличие на прави участъци

от тръбопровода преди и след прибора. Магнитоиндуктивните разходомери не внасят допълнителен пад на налягане в системата. Вграждането на специални втулки в измервателната тръба на прибора позволява използването на този тип разходомери за определяне разхода на високо агресивни и абразивни течности.

Наред с изброените предимства електромагнитните разходомери имат и редица сериозни недостатъци - не могат да се използват за измерване разхода на газове и непроводими течности; инсталирането им е свързано със значителни трудности, а експлоатацията - с немалки разходи. Магнитоиндуктивните разходомери са сравнително сложни като конструкция прибори, цената на които зависи от номиналния диаметър на измервателната тръба.

Ултразвуковият принцип

е сред най-широко използваните методи за измерване разхода на флуиди. Основава се на съществуващата функционална зависимост между скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни в подвижни среди и скоростта на движение на флуида. Методът е приложим основно за определяне разхода на течности, въпреки че е възможно използването му за измерване дебита на газообразни среди. Сред причините за по-широкото използване на ултразвуковите разходомери за определяне разхода на течности е по-голямата стойност на коефициента на поглъщане на механичните вълни в ултразвуковия диапазон от газообразните вещества. От друга страна, интензивността на ултразвуковите вълни е по-висока при разпространението им в течни среди.

Показанията се коригират по t, p и плътност

Широкото приложение на ултразвуковите разходомери се дължи на високата им точност на измерване, голямото бързодействие, отсъствието на подвижни части в конструкцията, което повишава здравината на прибора и опростява поддръжката му. Използването на ултразвуковите разходомери се затруднява от зависимостта между скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни от температурата, налягането и свойствата на работния флуид. С цел постигане на добри метрологични показатели и съпоставимост на резултатите от измерването, определените стойности на разхода се коригират по температура, плътност и налягане.

Ултразвуковите разходомери са подходящи за измерване разхода на широко разнообразие от флуиди. Няма съществени различия между областта на приложение на двата основни типа разходомери - Доплерови и с транзитно време. За коректната работа на основните видове ултразвукови разходомери се изисква изпълнението на определени предварителни условия. На първо място, работната среда трябва да позволява разпространението на ултразвука в нея. Необходимо е също работният флуид да запълва тръбопровода. Също така, работният флуид не трябва да съдържа материали, отлагащи се по вътрешните стени на тръбопровода. За коректното функциониране и на двата основни типа ултразвукови разходомери се изисква също потокът да е непрекъснат, без турбулентни завихряния.

При използването на Доплерови разходомери съществуват

редица допълнителни изисквания

Необходимо е средата да съдържа достатъчно количество примеси (суспендирани мехури, твърди частици и др.), които да създават необходимата физическа среда за отразяване на излъчената ултразвукова енергия. Количеството на примесите не трябва да превишава определена стойност, над която разпространението на ултразвуковите вълни в изследвания поток ще бъде затруднено.

При съвременните конструкции транзитни и доплерови разходомери, броят на ултразвуковите лъчи, които преминават през изследвания тръбопровод, може да бъде увеличен или модифициран по електронен път, с цел повишаване точността на измерване на средната скорост на флуида. Съществуват приложения, в които използването на един акустичен канал осигурява достатъчно висока точност на измерване. Важно условие за постигане на зададената от производителя точност на ултразвуковите измервателни средства е осигуряване на

достатъчно дълъг прав участък

от тръбопровода, преди и след мястото на монтиране на разходомера. Например, за някои конструкции разходомери е необходимо правият участък да бъде равен най-малко на десет пъти диаметъра на тръбопровода в посока срещу течението и три пъти диаметъра в обратна посока от елемент, внасящ смущения в потока (помпа, коляно, Т-участък от тръбопровода и др).

В случаите, при които е невъзможно да се намери или изгради подходящ участък от тръбопровода, се използват специални конструкции многолъчеви ултразвукови разходомери.Допълнителните ултразвукови лъчи могат да бъдат насочени под различен ъгъл и ултразвуковите сигнали комбинирани, за да се повиши точността на измерване на средната скорост на потока. Трябва да се има предвид, че използваната конфигурация на сензорите се избира в зависимост от диаметъра на тръбопровода и характеристиките на работния флуид. Няма общовалидни правила за избор на място за монтаж на разходомера.

Сред най-големите предимства на ултразвуковия принцип на измерване е възможността за монтаж на прибора,

без необходимост от разрязване на тръбопровода

Използването на външно монтирани сензори осигурява висока гъвкавост при инсталиране, независимо от точното местоположение на разходомера в инсталацията. С външно монтирани сензори се предлагат както Доплерови, така и разходомери с транзитно време. За да се осигури оптимална работа на прибора, върху вътрешната стена на тръбата не трябва да е отложен определен звукопоглъщащ материал, като твърди утайки. Препоръчва се използването на акустични свързващи материали между датчика и тръбата (например масло, грес или епоксидна смола).

Кориолисовите разходомери се използват за измерване масовия разход на течности и газове. За разлика от вихровите, магнитоиндуктивните и ултразвуковите разходомери, при приборите, функциониращи на основата на кориолисовата сила, за количеството на преминалия за единица време през определеното сечение на тръбопровода флуид се съди по масата му.

Кориолисовите разходомери

измерват директно теглото на работния флуид. Като типични представители на приборите за определяне на масов разход, кориолисовите разходомери дават възможност за надеждно и точно определяне на количеството и разхода на работните флуиди. Теглото е по-обективен критерий от обема, който зависи функционално от температурата и налягането на работната среда. Отложени утайки в корпуса на разходомера предизвикват грешки в измерената плътност на работния флуид. Допълнителният пад на налягане, който кориолисовите разходомери внасят в системата, е значително висок. Точността на определения масов разход зависи от наличието на механични вибрации в зоната на измерване, което налага специален подбор на мястото за монтаж на уреда.

Кориолисовите разходомери са приложими за измерване на еднофазни и двуфазни течности и газове, суспензии и течно-газови микстури. Използват се за определяне разхода на флуиди с променлива плътност и многофазни работни среди. При преобразуване на масовия разход в обемен е необходимо да се направи корекция, отчитаща плътността на работния флуид. Те са сравнително скъпи измервателни прибори. Разходите по поддръжката им зависят от чистотата на работните флуиди.

За измерване на разход се използват и т.нар.

тръби на Пито

(Pitot tube), които преобразуват скоростта на движение на работния флуид в диференциално налягане. Тръбите на Пито се използват за измерване разхода на течности и газове. Точността им се определя от съответствието между скоростта на флуида в контролираната точка и средната му скорост в изследваното сечение на тръбопровода. Без специално калибриране, точността на разходомерите с тръби на Пито е около ±5% от измервателния обхват. Основен недостатък на разходомерите с тръба на Пито е ограниченият диапазон на изменение на създаваното диференциалното налягане, което понижава точността и надеждността на работа на разходомера.

В сравнение с други типове разходомери, разходомерите с тръба на Пито са сравнително евтини. Отличават се с лесен монтаж. Не изискват извеждане от експлоатация на тръбопровода, в който се инсталира разходомерът, и на практика не внасят допълнителен пад на налягане в системата.

Друг вид разходомери -

ротаметрите

се изпълняват като стъклени или метални конични тръби, в които се разполага чувствителен елемент с определена форма. Специално изрязани в поплавъка канали предизвикват осовото му въртене, вследствие протичането на работния флуид. Всяка промяна в разхода на работния флуид предизвиква вертикално преместване на поплавъка. От конкретното положение на поплавъка в тръбата се съди за количеството течност, преминаващо през тръбопровода.

Този тип уреди за измерване на разход са приложими за чисти и слабо замърсени течности и газове. За разлика от вихровите, магнитоиндуктивните и ултразвуковите разходомери, които са с линейна скала, при ротаметрите зависимостта между измервания разход и преместването на чувствителния елемент е нелинейно. Преместването на поплавъка в коничната тръба зависи от плътността на работната среда. По тази причина измервателната скала на ротаметрите се градуира за флуиди с определена плътност.

Класът на точност на ротаметрите не е висок, вследствие на грешката, която внасят в измерената стойност на дебита, отклоненията в проектните размери на поплавъка и коничната измервателна тръба. Сред основните преимущества на ротаметрите, които определят широкото им приложение в индустрията, е сравнително елементарната измервателна схема, отсъствието на специални изисквания към мястото на монтаж и лесната поддръжка.




Новият брой 5/2017

брой 5-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top